聚丙烯復合材料的性能和斷裂行為的研究
聚丙烯復合材料的性能和斷裂行為的研究
聚丙烯(PP)作為一種應用非常廣泛的通用塑料,具有價格低廉、質量輕、使用溫度高、剛性和拉伸強度高等優點,但同時也存在著沖擊強度低,低溫易脆斷等缺點,因而,對聚丙烯進行增韌補強改性以提高其使用性能對于擴展其應用領域有著重要的意義。為此,本文圍繞著聚丙烯改性,擬選擇以粉末橡膠與碳酸鈣為填充體,采用熔融共混工藝改性聚丙烯材料,獲得粉末橡膠/聚丙烯二元復合材料與粉末橡膠/碳酸鈣/聚丙烯二元復合材料；在對復合材料微結構特征、力學性能、耐熱與流變性能等進行細致表征的基礎上,探討了填充體增韌補強的機理；進而,對于基本斷裂功方法,研究了聚丙烯基復合材料的斷裂行為以及填充體種類、填充量等對于復合材料斷裂行為的影響,為進一步進行聚丙烯及其它高分子材料的改性提供理論基礎。 所得到主要結果如下： (1)采用熔融共混法制備粉末膠粉/聚丙烯復合材料,細致研究了復合材料的微觀結構、結晶行為、耐熱性、力學強度和流變性質。結果表明：采用納米膠粉為填充體,其在聚丙烯中得到良好的分散,大幅度改善了聚丙烯的抗沖擊性能,當其添加量達到12phr時,沖擊強度增加至純聚丙烯的193.0%,而彎曲強度、拉伸強度略有降低,降低幅度分別為9.4%和14.6%；相比之下,填充微米級膠粉所得復合材料其沖擊強度提高了33.0%,彎曲強度與拉伸強度分別下降了27.0%和26.2%。納米膠粉起到了異相成核的作用,降低了聚丙烯的過冷度,縮短了半結晶時間；普通膠粉對于聚丙烯的結晶熔融行為沒有明顯影響。兩種膠粉都能降低復合材料的玻璃化轉變溫度和儲能模量,損耗因子也同時下降；提高了聚丙烯的熱降解溫度；降低聚丙烯的維卡軟化溫度,且微米級膠粉填充體系的維卡溫度都要低于納米膠粉填充體系；隨著納米膠粉填充量的增加,聚丙烯的表觀粘度上升,在低頻區的動態模量逐漸增強并表現出類固態響應,材料表觀粘度的剪切敏感性增強。 (2)采用熔融共混法制備粉末膠粉/碳酸鈣/聚丙烯復合材料,細致研究了復合材料的微觀結構、結晶行為、耐熱性、力學強度和流變性質。結果表明：納米膠粉和碳酸鈣的共混填充能大幅提高聚丙烯的沖擊強度、彎曲強度等力學性能,在兩者填充比例為8：4時沖擊強度最好,比純聚丙烯提高了106%；兩種粒子在聚丙烯中都能起到異相成核的作用,減小體系的過冷度,縮短半結晶時間,提高體系的結晶性能；復合材料的耐熱分解性能提高,耐熱變形性能也得到改善；隨著碳酸鈣填充量的增加,體系的玻璃化轉變溫度升高,儲能模量增大,同時材料的損耗因子升高；隨著碳酸鈣填充量增加,復合體系的玻璃化轉變溫度上升,儲能模量增加；體系表觀粘度對于剪切速率具有較強的敏感性,且隨著碳酸鈣填充量的增加而下降；頻率升高體系的粘性模量上升,并在低頻區表現出類固態粘彈響應。 (3)采用基本斷裂功方法對聚丙烯/納米膠粉二元體系以及聚丙烯/納米膠粉/碳酸鈣三元體系的斷裂行為進行了研究,使用圖像采集器記錄斷裂過程,利用場發射掃描電鏡觀察斷面形貌。結果表明：在膠粉/聚丙烯二元體系中,納米膠粉提高了聚丙烯的比基本斷裂功,當其填充量為8phr時材料的比基本斷裂功達到最大值,為純聚丙烯的2.17倍；材料屈服前的比基本斷裂功變化不大,成頸-撕裂階段的比基本斷裂功明顯增加；材料的比非基本斷裂功提高,說明納米膠粉的填充能提高聚丙烯的塑性變形能力,采集的斷裂圖像顯示添加膠粉后材料的塑性區域面積增大。 在聚丙烯/納米膠粉/碳酸鈣三元共混體系中,碳酸鈣粒子和納米膠粉都能提高聚丙烯的比基本斷裂功,二者共同填充能夠獲得更好的增韌效果,當二者填充量都為6phr時復合材料的比基本斷裂功達到最大,為純聚丙烯的2.4倍；三元體系屈服前的比基本斷裂功變化不大,成頸-撕裂階段的比基本斷裂功明顯增加；三元復合材料的比非基本斷裂功隨著碳酸鈣填充比例的增加而下降,說明碳酸鈣促進聚丙烯產生塑性變形的能力不如納米膠粉。 |
